Una guía para la concentración Análisis de respuesta de frecuencia alterna de células de combustible
Summary
Presentamos un protocolo para el análisis de respuesta de frecuencia alterna de concentración de pilas de combustible, un nuevo método prometedor para estudiar la dinámica de las pilas de combustible.
Abstract
Se utilizó una configuración experimental capaz de generar una perturbación periódica de entrada de concentración de oxígeno para realizar análisis de respuesta de frecuencia (cFRA) de concentración alterna en células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Durante los experimentos cFRA, la alimentación de concentración modulada fue enviada al cátodo de la célula a diferentes frecuencias. La respuesta eléctrica, que puede ser potencial celular o corriente dependiendo del control aplicado en la célula, se registró con el fin de formular una función de transferencia de respuesta de frecuencia. A diferencia de la espectroscopia de impedancia electroquímica tradicional (EIS), la novedosa metodología cFRA permite separar la contribución de diferentes fenómenos de transporte masivo de los procesos de transferencia de carga cinética en los espectros de respuesta de frecuencia de la celda. Además, cFRA es capaz de diferenciar entre diferentes estados de humidificación del cátodo. En este protocolo, el foco está en la descripción detallada del procedimiento para realizar experimentos cFRA. Se discuten los pasos más críticos de las mediciones y futuras mejoras en la técnica.
Introduction
Caracterizar el comportamiento dinámico de una pila de combustible PEM es importante para entender qué mecanismos dominan los estados operativos transitorios reduciendo el rendimiento de la célula. La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) es la metodología más utilizada para estudiar la dinámica de las pilas de combustible PEM, debido a su capacidad para separar diferentes contribuciones de proceso al rendimiento dinámico general1,2. Sin embargo, los procesos transitorios con constantes de tiempo similares a menudo se acoplan en los espectros EIS, lo que dificulta su interpretación. Por esta razón, en el pasado se han desarrollado y propuesto herramientas de diagnóstico transitorio basadas en la aplicación de insumos no eléctricos con el objetivo de detectar el impacto de unas pocas o dinámicas individuales3,4,5,6,7.
En nuestro grupo se ha desarrollado una novedosa técnica de respuesta de frecuencia basada en entradas de perturbación de concentración y salidas eléctricas denominadas análisis de respuesta de frecuencia de alternancia de concentración (cFRA). El potencial de cFRA como herramienta de diagnóstico selectivo se ha investigado teórica y experimentalmente6,7. Se encontró que cFRA puede separar diferentes tipos de fenómenos de transporte masivo y discriminar entre los diferentes estados de operación de la célula. En este protocolo, nos centramos en la descripción paso a paso del procedimiento para realizar experimentos cFRA. El montaje de la célula, su acondicionamiento y la configuración experimental para la creación de un alimento con perturbación periódica de la concentración, así como el análisis de datos se mostrarán y discutirán en detalle. Por último, se destacarán los puntos más críticos del procedimiento y se localizarán varias estrategias para mejorar la calidad y la selectividad de los espectros cFRA.
Protocol
Representative Results
Discussion
A diferencia de la EIS clásica, cFRA es una herramienta de diagnóstico enfocada en la caracterización de dinámicas relacionadas con los diferentes fenómenos de transporte masivo que ocurren en la pila de combustible. No es capaz de detectar ningún transitorio que tenga una constante de tiempo por debajo de la difusión de oxígeno en el electrodo, como por ejemplo la carga / descarga de la doble capa6. Por lo tanto, a diferencia de EIS donde se acoplan varios fenómenos, cFRA puede ayudar a …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems ayudó a satisfacer los costos de publicación de este artículo.
Materials
| Membrane Electrode Assemby N115 25,8 cm2 | QuinTech | EC-NM-115 | cathode/anode loding: 1mg Pt/cm2 |
| Potentiostat | Metrhohm | PGSTAT302N | |
| Booster | Metrohm | BOOSTER20A | |
| Retractable fiber oxygen sensor | Pyro Science | OXR430-UHS | |
| Dew Point and Temperature Meter | VAISALA | DMT340 | |
| Software process control system | Siemens | Simatic PCS 7 | |
| Software MATLAB2012a | Mathworks | ||
| Hydrogen | Linde | Hydrogen 6.0 | |
| Nitrogen | Linde | Nitrogen 5.0 | |
| Oxygen | Linde | Oxygen 5.0 |
References
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